科学家们已经能够观察到宇宙,并确定其质量的80%左右似乎是“暗物质”,它施加引力,但不与光相互作用,因此不能用望远镜看到。我们目前对宇宙学和核物理学的理解表明,暗物质可以由轴子(6种可能的组成暗物质的粒子之一)构成,这是一种具有不寻常对称性的假设粒子。
在一篇发表在《物理评论快报》上的新文章中,强调了利用玻色-爱因斯坦凝聚体的独特性质寻找轴子。
轴子被认为是极低质量的粒子,在空间中流动,很少与普通物质相互作用。它们的信号非常微弱,使得探测变得非常困难。这大致相当于你从火星上使用手机的人身上获得的信号功率。如果它存在的话,将意味着“奇异的自旋相关力”。磁,最著名的自旋相关力,使电子沿着磁场指向自己的自旋,就像罗盘指向北方一样。磁性是由虚拟光子携带的,而“奇异的”自旋相关力则由虚拟轴子(或类轴子粒子)携带。这些力作用于电子和原子核,不仅由磁铁产生,也由普通物质产生。要知道轴子是否真的存在,一个好的方法是观察原子核是否倾向于指向其他物质。
类轴子粒子被认为是由某些量子相互作用产生的,但它们有一种奇怪的性质,它们通过强磁场就可以测量出来。尽管这些粒子被认为是非常轻的,它们的“重量”不到电子质量的十亿分之一,但宇宙可能被它们淹没,形成一个巨大的引力体,这可以解释宇宙大部分质量隐藏在哪里。
目前,有几个实验已经在寻找这些力,使用的是“磁感应计”,它们是在同一个地方配对的磁传感器。通过比较两个传感器的信号,可以消除普通磁场的影响,只留下新力的影响。到目前为止,磁感应计只能寻找达到一米或更多的自旋相关力。为了寻找短程自旋相关力,需要一个更小的磁敏计。
玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)是几乎冷却到绝对零度的气体。由于玻色-爱因斯坦凝聚体是超流体,它们的组成原子可以在没有任何摩擦的情况下自由旋转几秒钟,使得它们对磁场和新的外来力都异常敏感。玻色-爱因斯坦凝聚体也很小,大约10微米左右。然而,要制作玻色-爱因斯坦凝聚体磁敏计,需要解决一个棘手的问题:如何将两个玻色-爱因斯坦凝聚体磁敏计放在同一小体积内。
在这篇论文的研究中,研究人员报告说,他们能够通过使用同一87Rb-BEC的两种不同的内部状态来解决这个问题,每一种状态都充当一个单独但位于同一位置的磁敏计。实验结果证实了所预测的高抗普通磁场噪声能力和寻找范围比以往实验短得多的外来力的能力。除了寻找轴子外,该技术还可以提高超冷碰撞物理的精确测量和玻色-爱因斯坦凝聚体中量子关联的研究。
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